滚动轴承振动信号特性分析

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）滚动轴承振动信号特性分析年 级:2010 级学 号:20107151姓 名:刘元是专 业:机械制造工艺及其设备指导老师:曾祥光2014 年 6 月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 院 系 机械工程系 专 业 机械设计制造及其自动化（机械制造）年 级 2010 级 姓 名 刘元是 题 目 滚动轴承振动信号特性分析 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章)年 月 日西南交通大学本科毕业设计(论文) I毕业设计（论文）任务书班 级 2010 机制 1 班 学生姓名 刘元是 学 号 20107151 发题日期：2014 年 2 月 24 日 完成日期： 6 月 20 日题 目 滚动轴承振动信号特性分析 1、本论文的目的、意义：滚动轴承的优点众多，因此滚动轴承在工程实践中得到充分的应用。但是滚动轴承有时的工作条件十分恶劣并且在机械设备中承载载荷、传递载荷。滚动轴承损坏尤其是突然损坏不仅会导致机械设备的故障失效，甚至可能造成更为严重或许是灾难性的事故。本论文主要针对滚动轴承振动信号进行研究，在对滚动轴承结构有一定了解的基础上，重点研究滚动轴承振动信号特点，并基于滚动轴承振动实测信号进行分析验证，掌握常见的信号谱分析方法，并尝试对滚动轴承零件故障进行分析。 2、学生应完成的任务 （1）基于滚动轴承振动信号进行常见分析的分析方法，如时域分析、FFT 分析、功率谱分析研究所实测振动信号，并得出相应结论。 （2）利用小波或其它信号分析方法研究所实测振动信号，并得出相应结论。 （3）利用 MATLAB编制信号分析 GUI，实现计算信号特征参数及实现简单的信号分析功能。 （4）完成毕业论文。 西南交通大学本科毕业设计(论文) II3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周）第一部分 了解滚动轴承的功能、构成 (2 周) 第二部分 了解滚动轴承常见的失效形式 (2 周) 第三部分 基于实测滚动轴承振动信号利用功率谱等方法分析其特性 (4 周)第四部分 利用典型时频分析方法分析滚动轴承振动信号特性并编 GUI(6 周) 第五部分 论文撰写 (2 周)评阅及答辩 (2 周)备 注 (1)CNKI 关于滚动轴承故障分析的论文.（2）功率谱分析、小波分析、希尔伯特-黄变换有关书籍 （3）matlab 编程方面的书籍 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日西南交通大学本科毕业设计(论文) III摘 要滚动轴承在工程实践中得到了充分的应用，但是滚动轴承却十分容易损坏。滚动轴承的运行状态通常也会直接影响到整个机械设备的性能。滚动轴承损坏尤其是突然损坏不仅会导致机械设备的故障失效，甚至造成更为严重或许是灾难性的事故。对滚动轴承进行特征信号分析对其故障进行诊断可以有效地避免事故发生。本文首先分析了滚动轴承的结构和振动故障机理并对滚动轴承的失效形式、振动类型及产生故障的原因进行了较为全面的探讨。还简单的介绍了滚动轴承振动信号基于时域、频域的分析方法。对比了正常信号和各类故障轴承型号的时域特征值参数以及时域波线图、FFT 谱以及功率谱图等。为了有效地提取滚动轴承故障信号特性，提出了一种基于共振解调技术和谱峭度法相结合的方法，并且将其应用到实际的滚动轴承的数据中进行分析处理。发现能准确的找出其故障部位并得到其故障频率。其次本文还介绍了小波变换的产生及其发展，并将小波变换与包络谱分析相结合对故障轴承信号进行分析，提取出故障频率并得出分析结果。最后本文利用 matlab 软件平台，实现了关于信号分析的用户界面设计（GUI） 。该用户界面设计（GUI）能够实现提取分析信号的特征值，绘制时域、频域图形等功能。关键词：滚动轴承 振动信号 故障诊断 GUI西南交通大学本科毕业设计(论文) IVAbstractRolling has been fully applied in engineering practice, but it is very easy to damage the rolling bearing. Rolling running normally will directly affect the performance of the entire mechanical equipment. Bearing damage, especially damage to not only lead to a sudden failure of mechanical equipment failures, perhaps even more serious cause catastrophic accident. Characteristic signals for rolling bearing fault diagnosis can be analyzed effectively avoid accidents.This paper analyzes the structure and the failure modes of vibration of rolling bearings and roller bearing failure mechanism, vibration type and cause of failure for a more comprehensive discussion. Also briefly introduced the rolling bearing vibration signal analysis method based on the time domain, frequency domain. Comparative characteristics of normal time domain signal and the value of various types of failures bearing model parameters and time-domain wave chart, FFT spectrum and the power spectrum and so on. In order to effectively extract the rolling bearing fault signal characteristics is proposed based on the resonance demodulation technique and spectral kurtosis method are combined, and apply it to the actual data in the rolling bearing analysis and processing. Found to accurately identify the site and its failure to get its failure frequency. Second, this paper also describes the emergence and development of wavelet transform and wavelet transform and envelope spectrum analysis of the combination of fault bearing signal is analyzed to extract the fault frequency and draw analysis. Finally, the use of matlab software platform, on signal analysis user interface design (GUI). The user interface design (GUI) enables analysis of signal extraction eigenvalues, draw time-domain and frequency-domain graphics functions.Keywords: rolling bearing,vibration signa,fault diagnosis,GUI西南交通大学本科毕业设计(论文) V目录第一章 绪论 .11.1 研究的背景及其意义 .11.2 关于滚动轴承故障研究概况及发展趋势 .11.2.1 研究概况 .11.2.2 国内外研究现状 .21.2.3 发展趋势 .4第二章 滚动轴承故障机理及振动信号 .52.1 轴承结构和故障机理 .52.2 滚动轴承失效形式 .62.2.1 正常失效 .62.2.2 非正常失效 .72.3 滚动轴承的振动频率 .82.3.1 固有振动频率 .82.3.2 故障缺陷频率 .9第三章 滚动轴承故障信号分析 .113.1 滚动轴承零件典型故障振动信号 .113.1.1 外圈滚道损伤 .113.1.2 内圈滚道损伤 .123.1.3 滚动体损伤 .123.2 时域特征参数分析 .133.2.1 有量纲参数 .133.2.2 无量纲参数 .153.3 振动信号的简单频域分析 .173.3.1 FFT 谱 .173.3.2 功率谱 .18第四章 共振解调和谱峭度的轴承信号特性分析 .214.1 共振解调故障诊断技术 .214.1.1 共振解调技术原理 .21西南交通大学本科毕业设计(论文) VI4.1.2 共振解调技术局限性 .224.2 谱峭度法在共振解调故障诊断技术中的应用 .224.2.1 谱峭度理论 .224.2.2 快速峭度图 .234.3 希尔伯特(Hilbert) 变换包络检波原理 .244.4 工程信号实际分析 .24第五章 基于小波分解的轴承信号包络谱分析 .315.1 小波变换的产生及其发展 .315.2 小波变换的定义 .325.2.1 连续小波变换 .325.2.2 离散小波变换 .325.3 实验信号小波分解验证 .335.4 工程信号实际分析 .34第六章 基于 Matlab 简单的滚动轴承信号分析图形用户界面 .366.1Matlab GUI 设计平台简介 .366.2 信号分析 GUI 设计 .36结论 .40西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 0 页第一章 绪论1.1 研究的背景及其意义科学在技术不断发展和进步，机械设备也愈来愈复杂化、精细化和自动化。与此同时机械设备的工作环境也越来越恶劣。由于滚动轴承的优点十分明显如：摩擦阻力小、便于润滑、高效率、易装配等。所以滚动轴承在工程实践中得到了充分的应用，例如电站发电机、石油转井机、高速列车转向架、飞机发动机等，它们基本上覆盖了石油、交通、电力以及制造等诸多领域。滚动轴承对于多数机械设备来讲都是关键的构成部件，不过它却是十分容易被损坏的。许多机械设备的故障原因都由其滚动轴承损坏导致。根据统计数据，所有的机械故障 70%故障振动，振动故障中由滚动轴承引起的约占三成。分析其缘由可发现这是由于滚动轴承的工作的环境相当差并且在机械设备中承载载荷，传递载荷。滚动轴承损伤尤其是突然的损坏不仅导致机械设备故障，甚至造成更严重的乃至毁灭性的性的事故。 总而言之，对滚动轴承振进行振动信号的特性分析，对于诊断轴承零件的故障有重大的科学意义和工程意义。1.2 关于滚动轴承故障研究概况及发展趋势1.2.1 研究概况保障在确定时间以内和确定的环境下滚动轴承可靠、高效的运转是对其故障诊断的主要目的。其中滚动轴承故障诊断过程三个主要步骤分别为信号的测试与采集、信号故障特征的提取、故障诊断和分类。其主要的诊断过程如图 1-1所示：图 1-1 滚动轴承诊断故障西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 1 页目前，在滚动轴承故障诊断方面的方法很多。其中，振动分析的方法是众多检测方法中最有效的方法之一，也是最准确的方法之一。滚动轴承发生故障的时候，常常会有以下表现如：振动异常、噪声增大等。我们需要一种简而有效的振动信号处理方法进行分析并判别运行状态。其中进行振动分析的关键部分则是如何精确而便捷的提取故障信号特性，同样而今故障诊断领域的困难之处也在于此。1.2.2 国内外研究现状基于时域、频域的信号分析以及时频域的信号分析是振动信号的提取的三个重要方式。时域分析是在故障信号中最早应用的方法。时域信号的特征参数主要分为量纲参数、无量纲的参数、以及概率分布特征等。Koizumi、Wheeler分别应用了时域信号的峰值、有效值等有量纲参数来鉴别滚动轴承是否发生了故障。Dyer 等发现了滚动轴承的载荷大小以及转速变化对峭度几乎没有影响，认识到峭度只是和故障的程度有关系，从而可以用峭度来体现轴承是否发生了故障。Balderston 等人对轴承活动进行剖析总结，获得了滚珠某些特征的频率算法。总体而言时域分析法有简单快捷的优点，但易受噪声影响。目前时域分析法的应用场合一般干扰较小、非精密诊断的地方。在对频域进行时，FFT 在轴承信号故障分析领域的用处尤为重要。此外。在此基础上另一些研究人员提出了功率谱分析、包络分析等一系列方法，实现了早期的对轴承故障的精密诊断。1974 年，来自美国的学者 Hart